PROGETTAZIONE E INDUSTRIALIZZAZIONE DEL BASAMENTO DI UNA TRANCIA: dal prodotto al processo

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1 PROGETTAZIONE E INDUSTRIALIZZAZIONE DEL BASAMENTO DI UNA TRANCIA: dal prodotto al processo Parte 1: analisi della funzionalità del prodotto Parte 2: realizzazione del disegno del finito Parte 3: scelta del materiale Parte 4: dal disegno del finito al disegno del grezzo Parte 5: dal disegno del grezzo al disegno del modello Parte 6: il ciclo di formatura Parte 7: preparazione del materiale da fondere Parte 8: lavorazioni finali dei getti Parte 9: stima costi di produzione 1

2 IL PRODOTTO DA REALIZZARE 2

3 Parte 1: analisi della funzionalità del prodotto La trancia Una cinghia cui viene impresso un moto rotatorio da un motore esterno è collegata alla puleggia; la puleggia trasmette il moto all albero eccentrico mediante l utilizzo di una linguetta; a sua volta, la biella, che ruota intorno all asse di rotazione dell albero, è ancorata mediante il perno di biella allo stantuffo a cui è conferito un moto alternativo. Si rende così possibile la conversione del moto da rotativo ad alternativo. Il coltello mobile che, nella condizione di punto morto esterno, vede luce tra sé e il coltello fisso, durante il moto ingrana con questo e permette il taglio del lamierino. A questo deve essere impresso il moto di avanzamento, anche manualmente quando non si tratti di taglio di precisione. La base (fonderia) La base serve da piano di riferimento della struttura; è costituita da una pedana inferiore che, forata, permette l alloggiamento del coltello fisso mediante l utilizzo di una vite. Abbiamo scelto un acciaio di qualità per getti UNI G27CrMn3. Il cromo garantisce un aumento del carico di rottura, etc etc. Le superfici cui va riservata una cura particolare, specialmente in sede di lavorazione superficiale alle macchine utensili, sono quelle di alloggio e di battuta dei coltelli e quelle che dovranno prevedere filettatura, per le quali andranno previste opportune tolleranze superficiali di lavorazione. 3

4 Parte 2: realizzazione del disegno del finito Estrazione dei componenti dal complessivo e disegni degli schizzi Indicazione superfici funzionali 4

5 Tolleranze dimensionali Tolleranze geometriche generali particolari 5

6 Raggi di raccordo per applicazioni meccaniche Stato delle superfici Segni grafici (?) 6

7 Il disegno del finito - correzione degli errori di rappresentazione ed adeguamento delle indicazioni alle norme sul disegno tecnico vigenti - adeguamento di alcuni particolari del pezzo da realizzare alle prescrizioni della normativa in uso - indicazione delle tolleranze dimensionali e geometriche e della finitura superficiale delle superfici funzionali del pezzo 7

8 Parte 3: scelta del materiale - processo fonderia in terra + lavorazione alle MU - impiego del specifiche di prodotto manufatto proprietà meccaniche fisiche chimiche (riciclabilità) (machinability) (welding) - considerazioni economiche Nota: l utilizzo di un acciaio per getti è in questo caso uno dei dati di progetto, l impiego di un acciaio al carbonio risponderebbe a criteri di economicità, funzionalità, lavorabilità alle macchine utensili, meno per la fonderia 8

9 Tecnologia Meccanica Per la selezione dell acciaio per getti da impiegare ci si riferisce alle Tabelle UNI che riportano alle Norme in particolare dalla UNI 3158 Fe G520 acciaio designato a partire dalle sue caratteristiche meccaniche in particolare con carico di rottura minimo garantito di 520 N/mm2 oppure dalla UNI 3150 UNI G27CrMn3 acciaio designato a partire dalla composizione chimica, per getti 9

10 Parte 4: dal disegno del finito al disegno del grezzo - scelta del piano di separazione Spessore minimo della parete in funzione della lunghezza - verifica spessori minimi realizzabili nei getti colati in terra - eliminazione dei fori ciechi o passanti di piccolo diametro metallo del getto lunghezza della parete < ghisa acciaio leghe leggere valutazione delle tolleranze tipiche del processo e dei sovrametalli (UNI 6325) (da non confondere con le tolleranze del disegno del finito) - raggi di raccordo di fonderia - design for casting 10

11 Scelta del piano di separazione Problemi di sottosquadro Vantaggi per la solidificazione direzionale Facilità d'uso di anime Realizzabilità di valido sistema di colata Altezza delle staffe Limitate spinte metallostatiche Costi di formatura RISULTATO 10 Problemi di sottosquadro Vantaggi per la solidificazione direzionale Facilità d'uso di anime Realizzabilità di valido sistema di colata Altezza delle staffe Limitate spinte metallostatiche Costi di formatura RISULTATO 17 Problemi di sottosquadro Vantaggi per la solidificazione direzionale Facilità d'uso di anime Realizzabilità di valido sistema di colata Altezza delle staffe Limitate spinte metallostatiche Costi di formatura RISULTATO 13 11

12 Diametro minimo dei fori greggi di fusione S D S S D1 S D < 2 S se L D se L1 D1 / 2 2S D 3S se L 3D L se L1 2D1 L1 3S D se L 5D se L 3D fori passanti fori ciechi CAVITA Diametro (D) Lunghezza (L) Spessore (S) Controllo Superiore 70 mm 80 mm 35 mm L<3D Positivo Inferiore 70 mm 80 mm 40 mm L<3D Positivo 12

13 Calcolo sovrametalli di lavorazione - individuate le superfici da lavorare - individuate le distanze dai piani o assi di riferimento - individuate le dimensioni max del getto - individuata la qualità e/o la lavorazione necessaria usando la tabella UNI relativa alle tolleranze intrinseche del processo e ai sovrametalli necessari per le varie lavorazioni si ottiene A = 5 B = 5 C = 5 D = 6 E = 6 13 E12

14 Nomogramma di Loazzolo 14

15 Individuazione delle zone critiche e conseguenti raggi di raccordo Angoli di sformo del modello 15

16 Design for casting 16

17 Il disegno del grezzo 17

18 Disegno del finito Disegno del grezzo Disegno del modello 18

19 Analisi termica del getto Suddivisione del getto in parti geometricamente semplici per il calcolo dei moduli termici CALCOLO MODULI n gruppo xxx altezza 475 scala X 5 larghezza 235 scala Y 5 parte inferiore dati (mm) D base inf D base sup alt base D foro inf L foro inf ecc foro reale ritiro (2%) sovrametal sformo moduli termici (cm) pezzo 1 pezzo 2 pezzo 3 pezzo 4 pezzo 5 pezzo 6 volume superficie modulo parte centrale Questo è il calcolo dei dati (mm) D base alt moduli con i valori reale calcolati nella prima parte ritiro (2%) dello studio;qualora non sformo sia verificata la moduli termici (cm) pezzo 7 direzionalità della volume solidificazione si dovranno superficie rifare i conti con delle modulo 2.00 dimensioni appropriate parte superiore dati (mm) alt D appoggio D foro sup alt foro sup D for inf alt 2 o p q reale ritiro (2%) sovrametal sformo moduli termici (cm) pezzo8 pezzo9 pezzo10 pezzo11 pezzo12 pezzo13 volume superficie modulo Vtot Stot Mtot

20 Elementi 1 e 8 Elemento 7 Volume = cm³ Superficie = cm² Volume = cm³ Superficie = cm² Solidificazione direzionale 20

21 Posizionamento alimentatori zona 6 e zona 13 -> M = 2.38 piano di separazione 2 materozze laterali, a cielo aperto 21

22 Tecnologia Meccanica 22 Dimensionamento alimentatori D H b c x a Y Relazione di Caine c = 1 c = (coibentata) b = 0.06 a = 0.1 Modulo della materozza -> Volume della materozza -> 4 / 4 2 D H D D H S V M m m m g m m g m M X M M D D D V Y V

23 cioè Y Y Y f MIN 0.1 X c 16 M g 3 X X 0.06 V g 3 Condizioni al contorno M gi=imax = 2.38 V g = 6949 N mat = 2 H staffa = 160 Tale sistema viene risolto con i vincoli indicati e si sceglie una materozza secondo il dimensionamento indicato nel foglio di lavoro allegato H getto = 140 (non serve in quanto la materozza è laterale) coibentate 23

24 Foglio di lavoro per il calcolo delle materozze 24

25 Soluzione grafica 25

26 Dimensionamento del collare d attacco D = 95 d L acciaio 0.4 D 0.16 D ghisa 0.66 D 0.16 D rame 0.66 D 0.35 D leghe leggere 0.75 D 0.49 D L = 0.15 D = 14.5 d = 0.4 D = 39 L/3 =

27 Verifica raggio d azione Nel nostro caso la barra ha T = 80 e L = 2 r m / 2 = 310 Valido per barre R i = 5 T = 400 (solidificazione direzionale?) Eventuali rimedi aumentare n aumentare modulo usare raffreddatori 27

28 Parte 5: dal disegno del grezzo al disegno del modello - ritiro del materiale durante la - angoli di sformo solidificazione ed il raffreddamento - eventuali portate d anima - fase liquida (alimentatori) - liquido solido (alimentatori - eventuali raffreddatori esteri e/o coibenti e solidificazione direzionale) - fase solida (modello) - riferimenti per le lavorazioni meccaniche successive -tolleranze UNI

29 Ritiro Angoli di sformo Tolleranze 29

30 Il disegno del modello 30

31 Parte 6: il ciclo di formatura Sistema di colata - riempire forma - favorire solidificazione direzionale - limitare turbolenze - semplificare la formatura - facilitare la finitura del getto colata in sorgente diretta sul piano di separazione 31

32 Scegliamo un sistema pressurizzato con attacchi in piano che : - può essere realizzata direttamente sulla placca modello - limita la possibilità del distacco della vena fluida - rende uniforme la portata - evita il rischio di trascinare scorie Velocità massime nel sistema di colata canale di colata 2-3 m/s distributore attacchi di colata (non sull anina) attacchi di colata (che investono l anima) Scegliamo un proporzionamento 1 : 2 : 1 con A str = A g 32

33 Definita la V max = 1 m/s si determina il t r = 3.2 x SQR ( G ) ( t [s], G [kg] ) -> t r = 24 s oppure t r = 6.4 s G 0.4 (s = spessore [cm] G [kg] ) -> t r = 53 s oppure ancora t r = S/8.88 SQR(G) (S sezione [pollici] G [libbre] -> t r = 13 s verifica tempo di irraggiamento t r < t i a favore della sicurezza oppure medio (meglio) per quindi scegliere un materiale di formatura che abbia un t i abbastanza elevato ---> sabbia silicea con legante sintetico 33

34 V g 55 / 7.8 Dal t r è immediato calcolare la portata Q = = = 0.18 dm 3 / s t r 40 Definito il numero degli attacchi di colata (2) si può calcolare la sezione dei singoli attacchi A str = v str * Q / 2 * K = 134 mm 2 K tiene conto delle perdite di carico e della contropressione durante il riempimento verifica velocità: v = SQR (2 g h / k ) = 1.25 (leggermente troppo alta) Scegliamo anche l altezza della staffa superiore in funzione dell altezza delle materozze a cielo aperto per stabilire il battente metallostatico h e la contropressione h m h staffa =

35 1.25 r r k [1-4 ] K = * h = altezza della staffa SQR (2g / k ) SQR ( h ) SQR ( h m ) h m = altezza totale - altezza getto sopra piano di separazione r = % metallo sopra (baricentro r = % metallo sotto (sez. attacco h m = 40 r = 0.5 r = 0.5 Particolari attacchi di colata bacino, colatoio e distributore 35

36 Scelta fra le sezioni disponibili commercialmente A g teorica > A g commerciale = 177 A r teorica 134 * 2 ---> A r commerciale = 363 A s teorica > A s commerciale = 162 Complessivo del sistema di colata 36

37 Scelta del bacino di colata A = 4 D = 60 mm B = 5 D = 75 mm C = 0.5 D = 7 mm E = 1.5 D = 22 mm F = 0.5 D = 7 mm 37

38 Complessivo del sistema di colata 38

39 Verifica delle spinte metallostatiche A causa delle differenze di altezza fra le superfici libere del metallo a contatto con la forma ed il pelo libero dell acciaio sulla faccia superiore della staffa la staffa superiore deve essere assoggettata a forze la cui risultante ha direzione verso il basso P staffa + P sabbia + P carichi aggiuntivi > F spinte metallostatiche 39

40 nel nostro caso (piccole variazioni di altezza del getto nella zona delle spinte) F spinte metallostatiche = (d 2 cratteristico h - V* ) 386 N F S p sin ds 2 R L 2 0 2L 2 0 p sin R d H R sin sin d D L H D 8 V* = volume getto nella staffa superiore = 4.28 = volume del semimodello superiore P sabbia = sabbia (V staffa - V*) = 470 da cui (trascurando il peso della staffa) P carichi aggiuntivi = = -84 non sono necessari carichi aggiuntivi 40

41 Ciclo di formatura preparazione della terra composizione della terra terra Refrancore media 55% terra Refrancore fine 20% sabbia Boves20% 35% umidità 5% lavorazione della terra per garantire l assenza di grumi e l omogeneità dell impasto le terre vengono lavorate al disintegratore cottura della terra la forma sarà al verde e non richiederà cottura L anima silicea sarà cotta a 200 C 41

42 preparazione delle staffe Il semimodello è realizzato in legno di acero (densità pari a 0.60g/cm³). La placca modello inferiore viene posizionata sul piano di lavoro, centrata la staffa e spolverato il modello con polvere distaccante. La staffa viene gradualmente riempita con la terra che viene compressa da opportuni compattatori, fino a raggiungere la densità di 1.8Kg/dm³ circa. La compressione non deve essere eccessiva per non compromettere la permeabilità della terra. Una volta completamente riempita la staffa e compattata la terra si procede a spianare la superficie superiore per rimuovere la terra in eccesso. 42

43 Vengono realizzate le tirate d aria per ottenere un sufficiente drenaggio dei vapori che si producono durante la colata del metallo liquido nella forma; le tirate sono realizzate con dei particolari aghi metallici del diametro di 2mm circa. Dopo che la forma si è essiccata, la placca viene rovesciata e indurita rimuovendo i modelli degli attacchi di colata. Vengono effettuate le stesse operazioni per il semimodello superiore. Il centraggio delle staffe è garantito dai particolari riferimenti con bussole su di essi (vedi tabella A12). La superficie viene cosparsa di polvere di carbone distaccante (nero di fonderia). Vengono inseriti i modelli degli alimentatori e del sistema di colata. Vengono, in successione, utilizzati compattatori, spianatori e siringhe per le tirate d aria. Vengono estratti i modelli degli alimentatori e del sistema di colata. 43

44 Vengono, in successione, utilizzati compattatori, spianatori e siringhe per le tirate d aria. Vengono estratti i modelli degli alimentatori e del sistema di colata. Per quanto riguarda la realizzazione delle anime, il procedimento utilizzato è il medesimo: viene realizzata la cassa anima in legno (supponendo una produzione di pochi esemplari, tale scelta risulta più conveniente rispetto a casse realizzate con materiali plastici o metallici), quindi il materiale di formatura scelto viene compresso manualmente nel contenitore che rappresenta al negativo la forma dell anima desiderata. L anima così ottenuta viene prima cotta poi verniciata con una speciale soluzione grafitica e quindi sistemata nella staffa. Vengono tolti gli spinotti dai rispettivi riferimenti, le staffe vengono separate (il peso è di circa 50Kg e quindi l operazione può avvenire manualmente), una volta inserite le anime le staffe sono poi ricomposte, pronte per la colata del metallo liquido. 44

45 Formatura 45

46 Parte 7: preparazione del materiale da fondere Forni A combustilie - solido - liquido - gassoso composizione? Elettrici - a resistenza - ad arco indiretto (radiante) diretto - ad induzione bassa frequenza alta frequenza

47 Cubilotto (per la ghisa) Carica: strati alterni di -coke - fondente - metallo quantita? 47

48 Fusione dell acciaio 48

49 Colata 49

50 Colata nelle forme 50

51 Parte 8: lavorazioni finali dei getti Distaffaggio 51

52 Rimozione canali di colata e materozze Taglio con cannello ossiacetilenico o con segagione 52

53 Pulitura bave sabbiatrice smerigliatrice 53

54 Trattamenti termici di lavorabilità prima delle macchine utensili 54

55 Parte 9: stima costi di produzione Ipotesi di lavoro: - 5 grezzi - modello realizzato esternamente Ogni voce sarà caratterizzata da: - manodopera - materiali usati - energia utilizzata I costi saranno suddivisi in: - ottenimento acciaio -formatura - finitura del getto - materiali e consumi secondari diretti - realizzazione modello - stoccaggio materiali spedizione e vendita indiretti - amministrazione 55

56 Ottenimento acciaio liquido Descrizione quantità prezzo unitario importo totale rottame di acciaio ghisa di prima fusione ferro/manganese 75% ferro/silicio 75% alluminio 99% totale carica metallica 1000 (calo 8 %) energia elettrica [kw] elettrodi 250 [kg] totale energia manodopera [h] totale costo acciaio 760 L/kg 56

57 Formatura costo formatura = costo manodopera per tempo formatura + costo materiali di formatura Tempo di formatura preparazione terra V t + lavorazione piani 3.6 S di divisione preparazione modello 11.3 V 0.44 m + preparazione attacchi 1.57 N 0.4 m G 0.2 r + preparazione anime 1.37 N 0.4 a V 0.2 a * grado di difficoltà = 1 h formula alternativa tf = 3.82 V f S f 1.22 = 1 h Costo manodopera

58 Costo materiali formatura materozze, terra, vernice di zirconio, imbuto materozze a cielo aperto (TA 4-5): 6 x materozza cieca (SFP 9/12K): 1 x anima di segmentazione (9/12/11/Q) 1 x costo materozze terra di formatura - sabbia silicea francese 422 L/kg - resina furanica - acido paratoluensolfonico P sabbia = V staffe sabbia -P metallo = 91 kg --->costo terra costo vernice di zirconio 800 costo imbuto

59 Finitura del getto tempi standard: taglio 0.25 sabbiatura 0.5 sbavatura 0.3 collaudi 0.25 totale granigliatura trattamento termico (normalizzazione) Materiali e consumi secondari + 10% 59

60 Modello (lavorazione c/t) legno (abete) m L/kg manodopera 25 h ( L/h) costo modello Altre voci costi indiretti + 30% dei costi diretti 60

61 Totale costi: costo dell acciaio: consideriamo un rapporto del 55% fra getto e materiale di colata e maggioriamo per sicurezza del 20%: P acciaio = 1.2 * 150 / 0.55 = 330 kg a 760 L /kg x recuperiamo il 40% del materiale come rottame (310 L /kg) x formatura x finitura x materiali e consumi secondari (10% dei costi precedenti) costi indiretti (20% dei costi precedenti) modello costo totale del lotto costo di produzione di un pezzo / utile lordo (15%) x prezzo di vendita